光子晶體熱防護性能研究范文
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《航天器環境工程雜志》2014年第三期
1氣動加熱
選擇美國太空探索技術公司研制的“天龍座”飛船作為研究對象，該飛船是一艘可重復使用的飛船，有載人和載貨2種，向太空運送有效載荷質量最大為6000kg，返回時為3000kg，任務持續時間為7d～2a。
1.1飛船的外形尺寸飛船由前錐體、加壓艙、服務艙3部分組成。前錐體半徑為1m，長度為0.3m；加壓艙長度為2.9m，上端圓半徑為1.2m，下端圓半徑為2m；服務艙長度為2.3m，半徑為1.8m。
1.2建模與溫度分布的數值計算
1.2.1計算區域由于飛船是對稱結構，在計算中可以選擇飛船的一半進行計算。計算的氣動區域是半徑8000mm、長度25000mm的半圓柱體，再在該半圓柱體正中建立一個半徑4800mm、長度10000mm的小半圓柱體；飛船位于小半圓柱體的正中位置。小半圓柱體內的計算網格較致密，而在小半圓柱體之外區域的計算網格較稀疏。這樣處理既能夠滿足計算的精度要求，又可減小計算量，從而提高整體計算效率。
1.2.2建模FLUENT是一個菜單式的建模軟件，可在該軟件平臺方便地建立熱數值模型并進行計算。本文的建模步驟如下：1）選擇DensityBased（密度基）求解器，同時選擇Explicit顯示格式。2）在梯度計算方法中選擇Green-GaussNodeBased法，它基于節點的Green-Gauss函數求解梯度，適合于非結構化網格，在氣動加熱計算中具有更高的精確度。3）流體選擇空氣，設置為理想氣體，滿足氣體狀態方程。4）黏度方面選擇薩蘭德（Sutherland）定律計算。5）在邊界條件中設置Ma=5。6）所有求解方程都采用二階迎風格式，其精度高于一階迎風格式。7）湍流模型選擇Spalart-Allmaras模型，并在該模型的列表下選擇Strain/Vorticity-BasedProduction子模型。該子模型是一個相對簡單的單方程模型，只求解一個輸運方程，計算量相對比較??；它適合于有避免限制的流動問題求解，在計算有逆壓梯度的邊界層問題時能夠給出比較好的計算結果，常在空氣動力學問題中使用，該模型方程為1.2.3數值計算飛船速度為Ma=5時壁面的溫度場分布如圖1所示（這里只是針對壁面計算，并不是整個飛船）。通過圖1可以看出：“天龍座”飛船在劇烈的氣動加熱環境下，其壁面最高溫度接近1800K。前錐體的溫度分布在1500K附近，加壓艙在1350K附近，服務艙在1050K左右。
1.2.4氣動熱流的估算飛行器在劇烈的氣動加熱環境下，所承受的熱流密度可估算為式(12)～式(13)中：h表示焓值，J；ρ表示密度，kg/m3；T為溫度，K；k為熱傳導系數，W/(m⋅K)；q′′′&為內熱源（這里內熱源為0）；r為位置向量；s為方向向量；s′為散射方向；s為沿程長度（行程式(9)～式(11)中：Nu為努塞爾數；Re為雷諾數；υ為運動黏度，m2/s，這里取-51.6×10；Pr為普朗特數，取0.701；u為特征速度，m/s；l為特征長度，m；λ為導熱系數，W/(m•K)，這里取0.025；∆t為溫度差，K。將各參數的取值代入式(9)～式(11)中進行計算，得到熱流密度為56～122kW/m2。
2.1光子晶體防熱層的結構三維光子晶體防熱層結構的最外層為SiC層，中間層為三維光子晶體層即SiC-3DPCs層，內層為基體，如圖2所示。其中，SiC層為輻射涂層，其功能是增強熱輻射；光子晶體層是熱反射層，以熱反射方式阻隔熱量向基體傳遞。該結構實現了輻射與反射防熱雙重功能，特別是在高溫的情況下。
2.2熱控性能計算針對光子晶體防熱層結構，建立一個單維三層導熱-輻射耦合傳熱模型，其能量控制方程為利用該模型進行計算時，首先設置熱流，初始溫度選取300K，采取DO算法中的輻射模型，其中所有方程采取二階迎風格式計算。輻射模型的輻射傳輸方程為上述方程采用FLUENT軟件求解。根據之前“天龍座”飛船的氣動加熱計算，產生的熱流可以達到數萬W/m2。因此，本文分別在60kW/m2，80kW/m2，100kW/m2三種熱流密度條件下，模擬了無/有光子晶體防熱層兩種情況下基體的溫度分布，計算參數如表1所示。這里需要注意，表中的發射率都是針對近中紅外波段，適合于氣動加熱的熱防護。圖3和圖4分別為不同熱流密度條件下，無、有光子晶體防熱層時的基體溫度分布。x和y表示基體層的二維幾何坐標，其中x為基體深度方向，單位為m。從圖3可以得到：無光子晶體防熱層時，溫度分布在100kW/m2熱流密度下，處于1360～1374K之間；在80kW/m2下，處于1284～1295K之間；在60kW/m2下，處于1190～1199K之間。從圖4可以得到：有光子晶體防熱層時，溫度分布在100kW/m2熱流密度下，處于850～856K之間；在80kW/m2下，處于841～845K之間；在60kW/m2下，處于830～833K之間。通過模擬結果的比較可以看出，采用光子晶體防熱層時，飛行器的熱控性能有提高：在100kW/m2熱流密度下，溫度下降約515K；在80kW/m2下約450K；在60kW/m2下約360K。這反映出PCs防熱層具有良好的熱控性能。
3結束語
本文利用FLUENT軟件和DO算法中的輻射模型對有/無光子晶體防熱層結構的氣動加熱進行了數值模擬計算。通過計算結果的對比發現，采用光子晶體防熱層結構可使基體溫度下降約360～515K，證明它具有良好的熱控性能。光子晶體在再入飛行器熱防護領域有廣闊的應用前景，但其工程化應用還有待深入研究。
作者：張昊春邱晨暉李垚趙楊秦江于海燕單位：哈爾濱工業大學能源科學與工程學院哈爾濱工業大學復合材料研究所
